PDF, 3.77 MB - Geo600 - Leibniz Universität Hannover
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Zweiter November der Wissenschaft »Einstein heute« Einsteins Universum Das kosmologische Standardmodell Hannover, 9. November 2010 Peter Aufmuth Albert-Einstein-Institut Leibniz Universität Hannover Gravitation nach Newton 1687 „Alle Massen üben eine anziehende Kraft auf einander aus.“ Die Schwerkraft hält auch die Planeten auf ihrer Bahn ! Isaac Newton (1643 – 1727) Schwerkraft Gravitation Problem: Periheldrehung des Merkur ??? Die Hauptachse der Bahnellipse des Merkur dreht sich pro Jahrhundert um 43 Bogensekunden. Gravitation nach Einstein 1912 1916 Albert Einstein (1879 – 1955) „Die Gravitation ist keine Kraft, sondern sie hat mit der Form des Raums zu tun.“ Die Erde verändert ihre Umgebung so, daß sich alles auf sie zu bewegt. Massen verformen den Raum Vorstellung anhand einer Fläche: Keine Masse = der Raum ist flach Die Masse erzeugt eine „Delle“ „Trampolin-Effekt“ Gravitation = Geometrie ! Der Mond folgt der durch die Erde vorgegebenen Struktur des Raums Allgemeine Relativitätstheorie 1915 Die Materie bestimmt die Krümmung des Raums, und der Raum bestimmt die Bewegung der Materie. Einsteins Feldgleichung G Krümmung ~ Masse/Energie-Verteilung T GkT 8G 43 1 k 4 2 10 c N Beitrag der Erde zur Krümmung des Raums: 10–9 Bei der Satellitennavigation (GPS) müssen die Effekte der Relativitätstheorie berücksichtigt werden ! Erstes Ergebnis: Periheldrehung des Merkur 1915 Die Theorie erklärt qualitativ und quantitativ die Drehung der Merkurbahn. Ich war einige Tage fassungslos vor freudiger Erregung. Brief an Ehrenfest, 17.1.1916 Lichtablenkung Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Scheinbare Position Wahre Position Auch das Licht folgt der Geometrie des Raumes. Nachweis der Lichtablenkung Tag Nacht Arthur S. Eddington (Sonnenfinsternis 1919) Gravitationslinsen HST Einstein-Kreuz Die Galaxie wirkt wie eine Sammellinse. Die Galaxie in der Mitte erzeugt vier Bilder des Quasars dahinter Gravitationslinsen-Astronomie Einstein-Ring MIT Bild einer Radiogalaxie mit aktivem Kern (Linse nicht sichtbar!) Nachweis dunkler Materie durch Gravitationslinsen HST Geometrodynamik Alle Massen im Universum bewegen sich. Die Geometrie des Universums ist nicht nur gekrümmt, sondern sie verändert sich auch ständig. John A. Wheeler (1911 – 2008) Wie schnell beeinflußt eine solche Veränderung, z.B. eine Sternexplosion, die Umgebung ? Gravitationswellen Die Ausbreitung von Störungen in der Struktur der Raumzeit erfolgt nur mit endlicher Geschwindigkeit Existenz von Gravitationswellen Sternexplosion (Supernova) 1916 mit Lichtgeschwindigkeit Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Nachweis von GW PSR 1319+16 Tp [s] Russell A. Hulse Joseph H. Taylor, Jr. Energieverlust durch Abstrahlung von Gravitationswellen Einsteins Vorhersage Veränderung der Bahndaten T stimmt mit dem Wert überein, den die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt (auf 0,2 % !). Nobelpreis für Physik 1993 Indirekter Nachweis von Gravitationswellen ! Beobachtung von GW GEO600 – der deutsch-britische GW-Detektor ein Michelson-Interferometer mit 600 m langen Meßstrecken Signale von Supernovae, kompakten Binärsystemen und vom Urknall Relativistische Objekte Lösungen der Einstein-Gleichung Es gibt im Universum sehr merkwürdige Objekte ! Neutronensterne Pulsare Schwarze Löcher Einstein war nicht begeistert… John A. Wheeler Ein Stern kollabiert Ein Stern ist ein glühender Gasball, der durch den Strahlungsdruck im Gleichgewicht gehalten wird Ein Stern am Ende seines Lebens Der Stern erlischt und fällt in sich zusammen • Weißer Zwerg Neutronenstern Schwarzes Loch Die gesamte Masse ist in einem Punkt konzentriert Querschnitt des Sterns Kompakte Sterne Je größer die Massendichte, umso tiefer die „Delle“. Eine große Masse kollabiert weiter, bis auf einen Punkt Gewöhnlicher Stern Neutronenstern Schwarzes Loch Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Neutronensterne 2 M8 Neutronenstern Ø ~ 20 km 1,5 x Masse der Sonne ! Supernova 1987A Sonne Ø ~ 1,4 Mio km Masse: 1030 kg Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Atom Elektron + Proton = Neutron + Neutrino Pulsare Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne. In der Atmosphäre des Neutronensterns wird Radiostrahlung angeregt. Diese wird in Richtung des Magnetfeldes des Sterns ausgestrahlt. Ein Pulsar stellt eine hochpräzise Uhr dar. Das Radioprogramm der Sterne B0833-45 Vela 11 Hz 10000 Jahre alt B0531+21 Krebs 30 Hz jüngster Pulsar 1054 n.Ch. B1937+21 642 Hz zweitschnellster bekannter Pulsar © Jodrell Bank Observatory Schwarze Löcher Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie zweidimensional dreidimensional Schwarze Löcher sind perfekte Kugeln („Glatzen-Satz“) Ereignishorizont Der kollabierte Stern verschluckt alles, was ihm zu nahe kommt Horizont • 3 km für einen Stern mit Sonnenmasse Der Horizont ist eine gedachte Linie. Alles was sie überschreitet, kann den Stern nicht mehr verlassen und ist für die Außenwelt verschwunden. Kollabierter Stern Rotierende Schwarze Löcher Dana Berry NASA Rotierende Schwarze Löcher verdrillen die Raumzeit in ihrer Umgebung ¾ der Materie fallen in das Loch, ¼ wird als Jet davongeschleudert Sagittarius A* Ein Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße mit über 4 Millionen Sonnenmassen Friedmanns Weltformel (Lösung der Feldgleichungen für ein homogenes und isotropes Universum) Das Universum besteht aus Materie, Strahlung und Vakuum. Es verändert sich im Laufe der Zeit. Es expandiert oder kontrahiert. 1922 Alexander Friedmann (1889 – 1953) 8πG 2 k H ( M S Λ ) c 2 3 a 2 Die kosmologische Konstante Einstein war nicht begeistert… Das Universum verändert sich nicht ! Ich muß meine Gleichungen ergänzen. G k T Damit ergibt sich ein statisches Universum Das Weltall expandiert Die schwach leuchtenden Objekte sind keine Sterne, sondern ganze Galaxien ! Und sie entfernen sich von uns ! Alles zurück ! Das Λ war die größte Dummheit meines Lebens ! Einstein war nicht begeistert… 1925 Edwin P. Hubble (1889 – 1953) Das Urknall-Modell Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Raum und Zeit entstanden im Urknall. Seitdem dehnt sich das Universum immer weiter aus. Das ist ja eine scheußliche Vorstellung ! Einstein war nicht begeistert… 1927 Georges Lemaître (1894 – 1966) Einstein Frühzeit des Universums Expansion und Abkühlung Urknall Mikrowellenhintergrund Vor 13,7 Mrd. Jahren: Temperatur ~ 1032 °C Bild des Universums mit 380 000 Jahren. T ~ 3000 °C (Temperaturunterschiede von 1/10000 °C) Entwicklung des Universums 0 1 Sek. 380000 J. 1 Mrd. J. 8 Bei der Expansion kühlt sich das Universum ab. Die Anfangsenergie kondensiert zu Atomen, aus denen sich die Sterne und Galaxien bilden. 13,7 Mrd. J. Das Universum heute Hundert Milliarden Galaxien mit je hundert Milliarden Sternen © HST 2004 „Hubble“ Weißt Du wieviel Sternlein stehen ? 1022 ! Heute: Temperatur = 2,7 K (= –270 °C) Teleskope und Satelliten Voyager 2 90 – 130 nm Compton Gamma Ray Observatory 0,97 pm Hubble 120 – 1900 nm ROSAT 1,03 – 12,4 nm WMAP 3 – 14 mm Lowell Observatorium 400 – 700 nm Very Large Array 0,01 – 1 m Bilder des Universums Sichtbares Licht Röntgenstrahlen Gammastrahlen Mikrowellenhintergrund Radiowellen Gravitationswellen ? Vergleich der Beobachtungen UNIVERSUM Typ: ΛCDMBB Alter: 13,7 Mrd. Jahre Form: flach Verhalten: Dehnt sich beschleunigt aus Zusammensetzung: 96 % (DE + DM) 4 % BM Das unbekannte Universum Universum = Materie + Vakuum + Strahlung „Dunkle Energie“ (= Vakuumenergie) 27 % + 73 % + 0% Dunkle Energie „Dunkle Materie“ Dunkle Materie (= unbekannte Baryonische Materie Materieform) Leuchtende Materie Dieser Anteil des Universums leuchtet 1% Der „Rest“ besteht aus etwas, das wir nicht kennen ! Dieser Anteil des Universums besteht aus normaler Materie 4% Die Astrophysiker waren nicht begeistert > Dunkle Gedanken < Der Astrophysiker Hanns Ruder (Uni Tübingen) beim Studium der neuesten Daten über das Universum Die Zukunft des Universums Und wie geht es weiter mit dem Universum ? Die dunkle Energie erzeugt einen negativen Druck Das ist mein Λ! Hab‘ ich also doch wieder recht gehabt! Das Universum dehnt sich beschleunigt weiter aus. Neue Fragen Wichtig ist, daß man nicht aufhört, zu fragen. ? Was ist die Dunkle Energie ? Was ist die Dunkle Materie ? Was zündete den Urknall ? Was passiert im Zentrum eines Schwarzen Loches ? Einstein Jr.
